基于金属导电细丝的阻变存储器，通常采用活性电极/固态电解质或介电材料/惰性电极的MIM结构，其中活性电极通常为在电场下易氧化出可移动阳离子的金属，如铜（Cu）、银（Ag）、镍（Ni）电极或者至少含其一的金属合金，惰性电极通常为在电场下不易氧化出可移动阳离子的电极，如铂（Pt）、金（Au）、钛（Ti）、铱（Ir）、钨（W）、氮化钛（TiN）、硅（Si）等。

在场作用下，阳极活性电极Ag或Cu能够被氧化为金属阳离子并沿着电场方向向阴极迁移运动，在移动的过程中逐渐被电子还原，最终在阻变功能层材料中生长出金属导电细丝，导电细丝连通活性电极及惰性电极，使器件从高阻状态转变到低阻状态。导电细丝的形成过程涉及阳极氧化、离子迁移和离子还原三个基本的电化学过程。导电细丝的形成过程实现阻变存储器的信息写入操作。在反向电压作用下，导电细丝可在焦耳热及电场的作用下发生溶解与断裂，导致器件重新回到高阻状态。该过程实现阻变存储器的信息擦除操作。

在不同的器件材料体系中，阳极氧化、离子迁移和离子还原三个基本过程的作用速度存在较大的差异，这也导致在不同的材料体系中，金属导电细丝的生长过程及物理形貌存在较大的差异。在活性金属离子迁移率较大的阻变功能层（如Cu及Ag的硫系化合物电解质）中，阳离子迁移速度较快，阳极氧化和离子还原的速度相对缓慢。活性金属离子可以到达情性电极以后才被还原。这样形成导电通路的活性金属原子在情性电极一侧开始聚集，导电细丝由情性电极向活性电极侧生长。基于此类材料的阻变器件具有相对较小的操作电压，但是此类材料并非互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor; CMOS）工艺兼容材料。在活性金属离子迁移率较小的阻变功能层[如二氧化硅（SiO₂）、二氧化铪（HfO₂）等过渡金属氧化物]中，阳极氧化和离子还原的速度相对较快。活性金属离子还未到达惰性电极就被来自阴极的电子还原，在靠近活性电极一侧还原为原子状态，成为活性电极的延伸部分。随着被还原活性原子增多，金属导电细丝由活性电极向情性电极侧生长，这与离子迁移速度很快的情况正好相反。此类氧化物材料与CMOS工艺兼容，器件可靠性好，但是阻变器件具有相对较大的操作电压。不同方向活性金属导电细丝生长过程已多次被该领域学者通过原位高分辨透射电子显微镜观察到。